第三層交換技術及其在寬帶IP網(wǎng)中的應用研究.pdf

1、以太網(wǎng)在1973年誕生于施樂的帕洛阿爾托研究中心(PARC)的計算機科學實驗室，由PARC的網(wǎng)絡專家Metcalfe設計。1980年9月30日，DEC、Intel和施樂公布了第三稿的“以太網(wǎng)，一種局域網(wǎng)：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層規(guī)范，1.0版”，這就是現(xiàn)在著名的以太網(wǎng)藍皮書，也稱為DIX版以太網(wǎng)1.0規(guī)范。以太網(wǎng)發(fā)展到現(xiàn)在已經有三十多年的歷史，由于它成本低、可靠性高、安裝和維護相對簡單，因此大受人們歡迎。今天，以太網(wǎng)幾乎承擔了Internet

2、上所有的通信任務?！　∮捎布酒瑘?zhí)行數(shù)據(jù)幀或報文轉發(fā)的數(shù)據(jù)通訊設備稱為交換機，按其交換報文的層次不同，又分為二層交換機和三層交換機。分組交換又稱包交換，基于IP的交換技術發(fā)展至今已成了寬帶IP網(wǎng)的核心和關鍵的技術。IP交換技術又被稱為第三層交換技術，它是第二層交換機的報文高速轉發(fā)加上第三層路由器路由功能兩者的結合，其內容包括如下方面：基于IOS(網(wǎng)絡操作系統(tǒng))的轉發(fā)業(yè)務引擎、IP快速路由、網(wǎng)絡服務質量QOS、VPN和網(wǎng)絡安全等。在今天

3、的網(wǎng)絡建設中，第三層交換技術被廣泛應用于電信網(wǎng)絡、企業(yè)網(wǎng)/校園網(wǎng)建設、智能小區(qū)寬帶接入等許多場合，而隨著需求的不斷提高和技術的進步則推動第三層交換技術向縱深發(fā)展?！　”疚膶拵P交換網(wǎng)中的骨干路由器必備三個關鍵技術轉發(fā)引擎、IP路由技術、QOS進行了研究并在此基礎上進行了創(chuàng)新，要點如下：獨立研制的基于NP的微內核轉發(fā)引擎而非專用的實時操作系統(tǒng)，對路由查找進行優(yōu)化以便從傳統(tǒng)的幾千條路由到支持超過百萬條路由的IP快速路由技術，QOS中可

4、防止網(wǎng)絡流量攻擊的多層次流量控制技術，并成功應用于萬兆交換機和路由器中?！　【W(wǎng)絡處理器(NetworkProcessor，NP)是一種可編程器件，它特定地應用于通信領域的各種任務，比如包處理、協(xié)議分析、路由查找、聲音/數(shù)據(jù)的匯聚、防火墻、QoS等。在網(wǎng)絡處理器上可運行專用的實時操作系統(tǒng)如vxWorks，pSos，PocketPC等，亦可運行微碼或者自主開發(fā)的轉發(fā)引擎。較流行的網(wǎng)絡處理器包括IntelXscale系列，Broadcom系

5、列等。我們在Broadcom系列NP處理器上實現(xiàn)了微內核的轉發(fā)引擎，使轉發(fā)效率得到了極大的提高。　　IP路由技術是報文轉發(fā)過程中最為關鍵的一步也是轉發(fā)中的瓶頸。其查找速度決定了路由器的轉發(fā)能力即帶寬。前期的路由器實現(xiàn)均采用了純軟件技術，現(xiàn)今的實現(xiàn)則大多靠硬件以獲得高的轉發(fā)速度。本文研究了基于TCAM的硬件轉發(fā)和基于Trie表的轉發(fā)技術并對其進行優(yōu)化使之支持到百萬條以上的路由數(shù)，將其實現(xiàn)于萬兆交換機和路由器中。對于IP交換中的服務質量Q

6、OS，著重研究了流量調節(jié)技術并提出多層次控制方法，以保障網(wǎng)絡的效率和負載平衡?！　≈饕ぷ髟敿殧⑹鋈缦拢?(1)采用TCAM(三重內容可尋址內存)技術，實現(xiàn)了最長前綴的路由查找算法，并應用在萬兆(10G)交換機/路由器中。實現(xiàn)了基于硬件的路由查找，可支持10萬條路由，一次查找即可命中·路由信息由CIDR樹維護，操作方便簡單；路由下發(fā)速度可達到萬條/秒。 (2)采用Tiie表技術，實現(xiàn)了最長前綴的路由查找算法，并應用在萬

7、兆(10G)交換機/路由器中。實現(xiàn)了基于軟件的路由查找，四次查找即可命中；支持百萬條路由，可應用在核心網(wǎng)的轉發(fā)設備上；路由下發(fā)速度可達到萬條/秒；在路由振蕩情況下仍然能維持較高的轉發(fā)性能和穩(wěn)定性。 (3)研究了基于MIPS架構的雙核心網(wǎng)絡處理器芯片BCM1250，構建了基于其上的微內核轉發(fā)引擎，并在其基礎上實現(xiàn)了CPU間高速報文傳遞的消息隊列，是達到G比特級轉發(fā)的關鍵；微內核實現(xiàn)如下內容：初始化，內存管理，中斷管理，任務管理，設

8、備管理，文件系統(tǒng)和調試模塊；消息隊列采用了環(huán)形隊列的方式，不需要互斥鎖的支持，以達到高速的報文轉發(fā)性能。 (4)研究了P交換中的服務質量QOS，并使用流量度量算法應用于CPU流控中；采用了兩級流控的方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；第一級流控基于端口流控，可避免一個端口受攻擊時，影響其它端口的轉發(fā)；第二級流控基于CPU流控，使得在CPU正常工作條件下，仍然保證流控的有效性；可有效防止DDOS攻擊；可有效防止病毒攻擊；提高系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的